CN1111258A

CN1111258A - 碳纤维增强高分子复合材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN1111258A
Application number: CN 94104725
Authority: CN
Inventors: 陈建敏; 党鸿辛; 何雪; 沈维长
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1995-11-08
Anticipated expiration: 2014-05-05
Also published as: CN1051328C

Abstract

一种高强度低密度耐磨自润滑碳纤维增强高分子复合材料，由聚四氟乙烯、聚芳醚砜和聚砜等芳香族杂环聚合物及聚酰亚胺等耐高温可溶性聚合物、碳布及其表面改性剂等组成，其产品具有良好的可加工性能，优异的物理机械性能和高速大PV值干摩擦工况条件下优异的耐磨自润滑性能，适用于低温、真空、辐照、腐蚀等特殊环境。

Description

本发明是关于一种高强度低密度耐磨自润滑碳纤维增强高分子材料及制备工艺。

自润滑材料都有一定的适用范围，一个重要的衡量指标是其在干摩擦条件下的极限PV值，普通高分子自润滑复合材料和其它常规整体固体润滑复合材料在于干摩擦条件下的极限PV值一般不超过3～5MPa.m/s，如何解决干摩擦条件下更大PV值工况（即更苛刻工况条件）下的润滑总量和材料适应性问题，是当今尖端科技的发展所迫切需要解决的重大技术难题。

碳纤维增强高分子复合材料作为一种新型材料在尖端技术领域获得了广泛的应用，解决了许多其它常规材料所不能解决的重大技术难题。但以往碳纤维增强高分子复合材料主要是作为结构材料，研究的重点也是侧重于提高材料的片强度等，将其作为极端工况条件下使用的耐磨自润滑材料，从组成和结构上考虑其摩擦学特性，尚未见到文献和专利报道。

本发明的目的是提供一种高强度、低密度、耐磨自润滑的碳纤维增强高分子复合材料，解决高速大PV值干摩擦工况条件和特殊环境下的材料的适应性问题和有关的摩擦学问题。

本发明的另一个目的是提供上述耐磨自润滑碳纤维增强高分子复合材料的制备工艺。

本发明的目的通过如下措施来实现。

本发明的碳纤维增强高分子复合材料的组成（wt%）：

碳布 35～80

聚芳醚砜 0～60

聚砜 0～40

聚酰亚胺 0～50

聚四氟乙烯 0～30

偶联剂 0～2

本发明优先选用的组成（wt%）：

碳布 45～65

聚芳醚砜 35～50

聚砜 5～20

聚四氟乙烯 5～15

偶联剂 0.5～1.5

上述碳纤维增强高分子复合材料选用的碳布最好为孔数小于3K的中强或高强聚丙烯腈碳布、胶粘碳布、石墨布、沥清碳布。

聚芳醚砜的粘度为η＝0.16～0.90。优先选用在其主链上附有圈型侧基的改性聚芳醚砜PES-C，其结构式如（Ⅰ）

所用聚砜的粘度最好为η＝0.15～0.60。

聚酰亚胺为可溶性聚酰亚胺。

聚四氟乙烯的粒度最好小于8μm，纯度大于95%。

本发明的制备工艺如下：

1.对市售碳布进行脱胶处理、即将碳布浸泡于足量二甲苯或丙酮溶剂中24小时，然后用丙酮清洗并烘干。

2.按如下比例（wt%）称取各组分

碳布 35～80

聚芳醚砜 0～60

聚砜 0～40

聚酰亚胺 0～50

聚四氟乙烯 0～30

3.将按2所称取的聚芳醚砜、聚砜、聚四氟乙烯混合均匀，加入适量溶剂，球磨或高速搅拌分散，配制成均匀的预浸（预涂）胶料，粘度以易流动为宜。所加入的溶剂可以是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺以及氯代烃溶剂中的一种或几种。

4.将按2所称取的碳布进行表面处理，表面处理可采用酸处理、等离子体处理或偶联剂处理等，酸处理用浓硝酸浸泡法、偶联剂处理用聚钛酸酯偶联剂或有机硅偶联剂丙酮溶液（浓度1～2%）超声浸泡法。

5.用按3所配制的预浸（预涂）胶料对按4进行表面处理后的碳布进行上胶处理，上胶工艺可采用超声浸胶或刷涂法上胶以及上述二种方法的综合，对用二甲基甲酰胺等高沸点溶剂配制的胶料：可以对胶料进行预加热，温度可控制在100～120℃，然后再进行上胶，上胶过程可分数遍进行，直至全部胶料用完为止。

6.将按5进行上胶处理后的碳布展平，并使其干燥，干燥方法可采用自然干燥、电吹风吹干、红外线烘干、真空干燥等方法中的一种或数种。

7.将按6干燥后的上胶碳布，根据模具形状剪制成形，并以不同碳布编织方向依次层叠于模具中。

8.高温压制成型，对按7装好的模具加压至10MPa，然后升温，待温度升至120℃±10℃，恒温10分钟，然后加压至30～65MPa，并继续升温至290～360℃，恒温30～80分钟，然后在保压条理下自然降温或用冰急剧冷却至室温，脱模即可，在上述热压过程中升温速度以不大于10℃/分为宜，此外为防止气泡产生，应随时注意放气。

本发明制备工艺选用碳布可以是聚丙烯腈碳布、胶粘碳布、石墨布、沥清碳布等，为使高分子胶料（胶液）能充分浸透到碳纤维束之间，除采用超声波浸胶工艺等之外，所选用的碳布孔数应小于3K。

本发明选用聚酰亚胺和耐高温芳香族杂环聚合物聚芳醚砜作为主体材料是为了保证产品具有优异的强度和耐热性，同时也考虑到了工艺的可行性，所用聚芳醚砜可以是各种改性聚芳醚砜，如在其主链上附有圈型侧基的聚芳醚砜PES-C等，该材料不仅具有良好的工艺适应性，还具有优异的机械性能和耐高温性能，其玻璃化温度达260℃，短期使用温度可达400℃，PES-C的分子结构式为：

本发明选用聚砜与聚芳醚砜共混，其主要目的是为了提高产品的强度，其次也是为了改善压制工艺性能。此外，还考虑到了这二种材料的互溶匹配特性。

固体润滑剂选用的是表面能及摩擦系数很低的聚四氟乙烯，其纯度大于95%，粒度小于8μm，选用聚四氟乙烯作为固体润滑剂也是考虑到了其与体系的匹配特性。

本发明中热压恒温后，冷却方式的选择可以控制产品中高分子材料的结晶状态，进而影响产品性能，一般而言，随炉自然冷却的产品的柔性较好，而用冰急速冷却的产品的刚性则更佳。

本发明产品的最大特点是在高速大PV值干摩擦工况条件下具有优异的耐磨自润滑特性，其极限PV值超出常规材料近10倍，可达45MPa·m/s左右。同时本产品还具有高强度、低密度、耐超低温和其它特殊环境等特性，该产品还具有优异的可加工性能，适宜于制作各种形状的小型零部件。

本发明产品的主要性能指标如下：

1.密度～1.8

2.抗弯强度 >400MPa

3.抗冲击强度 >30KJ/m²

4.热膨胀系数～5×10^-5/K^-1

5.摩擦系数 <0.32

6.磨损率 <5×10^-7g/m·kg

7.适用温度范围 200℃～+200℃

本发明产品适用于制作高速大PV值干摩擦工况条件下的摩擦部件，可用于要求高强度低密度的宇宙飞行器、空间站、人造卫星和火箭中，作为轴承、密封材料、滑块、活塞环以及某些结构部件;由于其低密度，因而特别适用于由于离心力产生压力的高速旋转气泵滑片、高速离心机的某些构件;由于其抗辐射、真空性能和高温性能都比较好，因而也适用于作为原子能反应堆、真空机械的某些零部件;还可以作为腐蚀介质中应用的某些零部件以及在超低温下工作的液氢、液氮、液氦泵的轴承、密封环等。

实施例1

称取脱胶后的胶粘碳布30g，浸泡于浓硝酸中24小时，用水洗净并烘干，称取可溶性聚酰亚胺20g、聚四氟乙烯3g，并加入二甲基甲酰胺200ml，球磨5小时，制成预浸（预涂）胶料，将上述经表面处理后的碳布浸泡于此胶液中，超声处理5分钟，取出凉干，并用油漆刷将剩余胶料刷涂到该碳布的正反面，进行上胶处理，待全部胶液上完后，使其自然干燥（＞12h），然后根据模具形状剪制成形，并以不同碳布编织方向依次层叠于模具中。加压至10MPa，并升温至120℃±10℃，恒温10分钟，然后加压至45MPa，并继续升温至320℃，恒温60分钟，然后在保压条件下自然降温至室温，脱模即可。材料性能满足上述指标。在上述热压过程中，升温速度为5℃/分，每间隔5分钟放气一次。

实施例2

称取脱胶后的3K石墨碳布30g，浸泡于浓度1%的有机硅偶联剂（KH-550）丙酮溶液中30分钟，并用电吹风吹干，称取聚芳醚砜（PES）（η＝0.63）20g、聚砜（PSF）（η＝0.24）4g、聚四氟乙烯6g，并加入三氯甲烷250ml，球磨5小时，制成预浸胶料，倒入一平底容器中;将上述经偶联剂处理后的碳布浸泡于此胶液中，超声处理，在翻动碳布的同时用柱型滚子压碾碳布表面，待全部胶液上完后，取出碳布并使其保持平整，用红外灯烘烤干燥，然后根据模具形状剪制成形，并以不同碳布编织方向依次层叠于模具中加压至10MPa，并升温至120℃±10℃，恒温10分钟，然后加压至40MPa，并继续升温至320℃，恒温40分钟后，用冰即冷至室温，脱模即可。材料性能满足上述指标。其中抗弯强度大于500MPa。在上述热压过程中，升温速度为10℃/分，每间隔5分钟放气一次。

实施例3

称取脱胶后的1K中强聚丙烯腈碳布30g，进行空气等离子刻蚀处理，称取含圈型侧基的新型聚芳醚砜（PES-C）（η＝0.63）20g、聚四氟乙烯4g，并加入二甲基乙酰胺250ml，球磨5小时，制成预浸胶料，将此胶料倒入一平底容器中，在烘箱中加热到120℃后取出，将上述经表面处理后的碳布浸泡于此胶液中，超声处理，在翻动碳布的同时用柱型滚子压碾碳布表面;当胶液温度下降到50℃以下后，再将胶液放入烘箱中，使其温度恢复到120℃，如此周而复始。待全部胶液上完后，取出碳布并使其保持平整，用红外灯烘烤干燥，然后根据模具形状剪制成形，并以不同碳布编织方向依次层叠于模具中。加压至10MPa，并升温至120℃±10℃，恒温10分钟，然后加压至55MPa，并继续升温至350℃，恒温40分钟，然后用冰急冷至室温，脱模即可。材料性能满足上述指标、在上述热压过程中，升温速度为5℃/分，应每间隔5分钟放气一次。

Claims

1、一种碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于组成(wt%)为：

碳布 35～80

聚芳醚砜 0～60

聚砜 0～40

聚酰亚胺 0～50

聚四氟乙烯 0～30

偶联剂 0～2

其中偶联剂包括有机硅偶联剂或聚钛酸脂偶联剂。

2、如权利要求1所述的碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于组成（wt%）为：

碳布 45～65

聚芳醚砜 35～50

聚砜 5～20

聚四氟乙烯 5～15

偶联剂 0.5～1.5

3、如权利要求1或2所述的碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于碳布的孔数小于3K，可以是中强或高强聚丙烯腈碳布、胶粘碳布、石墨布、沥清碳布。

4、如权利要求1或2所述的碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于聚芳醚砜的粘度为η＝0.16～0.90。

5、如权利要求1或2所说的碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于聚芳醚砜可以是在其主链上附有圈型侧基的改性聚芳醚砜PES-C，该化合物的结构式为（Ⅰ），粘度为η＝0.16～0.90。

6、如权利要求1或2所说碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于所用聚碳砜的粘度为η＝0.15～0.60。

7、如权利要求1所说碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于聚酰亚胺为可溶性聚酰亚胺。

8、如权利要求1或2所说碳纤维增强高分子复合材料，其特征在于聚四氟乙烯的粒度小于8μm，纯度大于95%。

9、一种碳纤维增强高分子复合材料的制备工艺，其特征在于：

（1）按权利要求1或2称取各组分;

（2）对按（1）称取的碳布进行表面处理，可以是脱胶处理、等离子体刻蚀处理、酸处理、偶联剂处理;

（3）将按（1）称取的聚芳醚砜、聚砜、聚酰亚胺、聚四氟乙烯混合均匀，加入适量溶剂，充分分散并制成均匀的预浸（预涂），胶料，粘度以易流动为宜。所加入的溶剂可以是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺以及氯代烃溶剂中的一种或几种;

（4）用（3）所配制的胶料对按（2）进行表面处理后的碳布进行上胶处理，并使其干燥。

（5）将按（4）处理后的上胶碳布，根据模具形状剪制成形，并以不同碳布编织方向依次层叠于模具中，加压至10MPa，然后升温至120℃±10℃，恒温10分钟，然后加压至30～65MPa，并继续升温至290～360℃，恒温30～80分钟，然后在保压条件下自然降温或用冰急剧冷却至室温，脱模即可，在上述热压过程中升温速度以不大于10℃/分为宜。